中大新聞網訊（通訊員周張凱）近日，中山大學物理學院王雪華、周張凱教授團隊提出場增強增益新概念顯著增強微納結構中光與物質相互作用，研究成果發表于光學領域國際知名期刊Laser & Photonics Review。

微納光學結構的共振模式由于能夠形成強烈的局域電場增強，因此一直以來被廣泛應用于增強光與物質相互作用。但是，光子共振模式存在一些固有的弊端，比如吸收大、帶寬窄，極大地降低了參與光與物質相互作用的光子數。因此，是否能實現比共振模式更好的光與物質相互增強，是微納光子學研究領域需要解決和回答的一個重大科學問題。

圖1 陣列雙曲超結構中的共振模式與場增益模式對比

針對上述問題，他們首先在理論上提出考慮系統吸收損耗的場增強增益因子和最佳場增強增益模新概念，以實現比傳統共振模式更好的光學響應增強。傳統上，人們采用場增強因子f₀(λ)= |E(λ)/E₀(λ)|²（E(λ)和E₀(λ)分別表示當波長為λ時，光子學系統中的總光場振幅和入射光場振幅）尋找共振模式（共振波長即為使f₀(λ)取最大值的波長，記為λ⁰），作為光與物質相互作用增強的最優選擇。但共振模式往往伴隨最大的吸收損耗，會顯著減少實際參與光與物質相互作用的光子數，從而大大降低共振模式帶來的光學響應增強的實際效果。為此，他們提出場增強增益因子新概念f_FEG(λ) = f₀(λ)[1-β(λ)]（β(λ)為光子學結構對于波長為λ的光子的吸收率），以尋找最佳場增強增益模（f_FEG(λ)取最大值的波長即為最佳增益模的波長，記為λ^F）用于增強光與物質相互作用。理論模擬發現：不僅最佳場增強增益模比共振模式有更顯著的光學響應增強，而且存在一個比共振模式更強的光學響應增強寬帶區，如圖1e所示。為實驗證明場增強增益概念的有效性，他們通過單層MoS₂與陣列雙曲超結構相互作用的非線性光學響應，演示了存在一個比共振模式更強的非線性響應寬帶區，且最佳場增強增益模可導致超過20000倍的二次諧波信號增強，約為相同條件共振模式所產生二次諧波增強的2倍，如圖2所示。

圖2 陣列雙曲超結構增強單層MoS₂二次諧波的測試

相關工作以“Giant Nonlinear Response of Monolayer MoS₂ Induced by Optimal Field-Enhancement Gain Mode on the Surface of Hyperbolic Metamaterials”為題，于2021年11月11日在線發表于Laser & Photonics Review。該工作由中山大學為完成單位，中山大學王雪華教授團隊的周張凱教授為第一作者，王雪華教授為通訊作者。該研究受到廣東省重點研發計劃（2018B030329001），國家自然科學基金（11974437，91750207），“廣東特支計劃”（2017TQ04C487，2019JC05X397），廣東省自然科學基金（2020A0505140004）以及中山大學高校基本業務費（20lgzd30）的支持。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100281